Erwin Neher (2014) - Short-term Synaptic Plasticity

Our brain is a network of about 1011 neurons, which are connected via synapses. A neuron typically receives input from about 10000 other neurons, which can be either excitatory or inhibitory. The neuron integrates these inputs and generates an action potential, when its membrane potential surpasses a certain threshold

Thank you, Dr. Blatt, for the introduction. It’s a great privilege to speak in front of about 600 hundred of the very best young researchers of the world which I hope a fraction of it at least is interested in a very interesting topic, namely understanding how our brain functions. So Roger Tsien a few minutes ago told you about some interesting ideas and interesting facts about the very long term forms of plasticity which indeed are believed or are apt to store information in the brain to mediate learning and memory. Let me go to the other side, to the very short term forms of plasticity. But before doing so, let me show you in a few slides a little bit about how our understanding of what happens in the brain developed over the last 200 years. And this of course starts with the famous experiments of the Italian scientists Walter and Galvani, Galvani who taught us or showed in spectacular experiments that the frog muscle can be made to twitch when the nerve is stimulated by a shock of electricity. This demonstrated that indeed there was something like electricity, electrical signalling in our body. that our brain is made up of this filigrane network of neurons. Roger Tsien already referred to this. And today we know that our brain is a network of about 10^12 of such neurons which are connected with each other via synapses. And on average a given neuron receives about 1000 or 10,000 inputs from other neurons. So what is it, this strange cell, a neuron? This strange structure? It is nothing else but a quite general cell which however has some special structures. So, even a normal cell has some kind of processes called microvilli. In the neuron such processes are exaggerated in the sense that a neuron possesses two kinds of protrusions some are called dendrites which are the receiving organs of the neuron. One special protrusion is the axon, a tube-like structure which can be very long and which transmits the nerve impulse to cells to which this given neuron is connected to. So each neuron receives inputs from thousands of other neurons primarily on its dendrites and these inputs delivered by proceeding cells can be both excitatory and inhibitory. A given neuron integrates or adds up these signals and whenever the electrical potential inside the cell soma, as a consequence of all these influences converging onto a given cell, whenever the potential inside the cell surpasses a certain threshold an action potential or a nerve impulse is generated at the so-called axon hillock. And this nerve action potential then travels down the axon to the nerve endings exciting or inhibiting other neurons. So there’s a nice movie or animation provided by Dr. Hasan from the Science Bridge in Heidelberg who illustrates, gives an impression on how this firework of axon potentials may happen in parts of our brain. You can see that an input fires an action potential which then spreads, excites other ones and this is going on. The movie is not correct in every detail but I think that doesn’t matter for getting the general idea. So the point of interest of course when you want to study the connectivity between neurons is the synapse. What appears to be here is this little bouton where a preceding neuron signals... or a sending neuron signals onto a receiving neuron. And knowledge about what happens at the synapse started actually not at the synapse between nerve cells but it started at the so-called neuromuscular junction, a synapse which makes a connection between a neuron and the underlying muscle cell. So when the nervous system wants a certain muscle to contract it sends an action potential through the motor nerve to the corresponding muscle cells. There the nerve ending splits up into several endings and what happens there is exactly the same thing which happens between two neurons, namely that the presynaptic ending liberates a transmitter which excites the underlying neuron. So our knowledge about these processes came to a large extent from experiments by Sir Bernard Katz Castillo and Del Castillo studying the synapse. And I show here one of their early registrations of the signal which can be recorded in a muscle fibre You can see two phases, first a so-called excitatory postsynaptic potential which represents the effect of the transmitter being liberated by the nerve and then surpassing the threshold just like in a nerve cell an action potential is being elicited in the muscle cell which then initiates the contraction. What Katz and Del Castillo did is they looked in detail at what happens here before or just during resting periods. And they recognised when they turned up the gain of their amplifier that there were all these little spontaneously occurring little blips. You know, very, very small signals. Now ordinarily many researchers dealing with sensitive amplifiers at high gain would dismiss such signals because there are multiple sources of interference, just influences by some instruments in the vicinity. Katz and Del Castillo did not do so. They actually started to study these small signals because they realised that they saw these little blips only when they recorded at sites close to the neuromuscular junction to where the nerve is. When they recorded a few millimetres away on the same muscle they wouldn't see these characteristic blips. Also some distance away from the muscle the wave form of the global signal would be different. This initial postsynaptic potential would be missing. What they saw is just the electrical excitability spreading in the muscle fibre. Also what they realised is that this amplitude of this excitatory postsynaptic signal is very much dependent on the calcium concentration in the medium. So when they reduced the calcium concentration, this initial signal became smaller so that eventually the action potential failed. What was left was a small signal. And when they reduced this to the extreme, they saw that the stimulating nerve impulse sometimes elicited a signal like this. And sometimes it failed to elicit any signal. So this kind of finding together with electron microscopy data from the De Robertis Laboratory in Argentina which showed that there were in the synaptic terminal some small structures, some vesicles now known as synaptic vesicles lead to this idea that indeed what happens at the nerve, at the synapse is the following. The nerve impulse causes influx of calcium into the nerve terminal. This is why the process is so much dependent on the extracellular calcium concentration. The calcium causes the fusion of such vesicles which then release their contents in neurotransmitter. Now, of course an action potential with calcium influx leads to the simultaneous release of many of such vesicles. The little blips which they saw in the recording at high resolution was interpreted to be spontaneous fusion of such vesicles with the plasma membrane. And then postsynaptically the neurotransmitter diffuses to the postsynapse and opens ion channels in the postsynaptic membrane. So we have a kind of transformation of an electrical signal into a chemical signal released from a presynaptic terminal and back translated into an electrical signal in the postsynaptic membrane. Now, synaptic plasticity. The term plasticity describes the observation that synaptic strength which is the signal being produced in the postsynaptic neuron by a presynaptic action potential is not a fixed quantity like in the electronic computer but changes constantly depending on the use of the synapse. Neuroscientists are convinced that this plasticity is a very important aspect of neuronal signal processing in the nervous system. And that indeed particularly the long term changes, the long term changes in connectivity between neurons underlies learning and memory. And this as I understand was Roger Tsien’s topic. Now, short term plasticity on the other hand I think is not less important because it mediates basic information processing tasks like adaptation, filtering and others. I will mention a few of these tasks in one of my following slides. What's also interesting is that different types of synapses have their own personality with respect to this short term plasticity. Some synapses, when you stimulate them repetitively like those of the climbing fibres, show depression in the sense that after some rest period a first response is very large followed by smaller responses. Other synapses show exactly the opposite, namely at first smaller response followed by subsequently increasing responses. Still other synapses have more complex types of behaviour. So given synapse on average displays a certain type of plasticity. Now here is just an example of what short term depression can be good for in a network in which many of such neurons are put together to subserve some task. I mentioned already a depression is good for providing adaptation to sensory stimuli. It is good for so called gain control, regulating the amine activity in certain brain areas. You can build networks with synapses displaying depression which provide, which generate rhythms. You can do temporal filtering but also more complex tasks of the central nervous system like sound localisation can be implemented in neural networks which use a short term depression. And even the so-called orientation tuning, an individual system which is seen in the primary visual cortex in the sense, that there are certain cells which primarily respond to contrasts in a certain orientation. One can simulate this and obtain insensitivity towards, invariance towards differences in absolute contrast by implying in the network short term depression. Okay, so another aspect which is being discussed now is a manifestation of short term plasticity, is the switching between different brain states. We know that our brain can switch within seconds between different states such as quiet state, stress, arousal, and focusing, attention. There are different sleep states which can be observed with EEG, where within seconds again the pattern of the EEG can change between the well-known REM sleep phase and other phases. Such fast switching of course cannot be due to long term plastic changes because they need time to develop, they need time to be trained and so on. So it is known that such brain states are controlled by a number of diffusely projecting transmitter systems such as dopaminergic, adrenergic, cholinergic, peptidergic and so on. Basically all the kinds of input mechanisms which were discussed by Dr. Kobilka yesterday in his lecture. And it is also known that such diffusely projected transmitter systems short term change, short term plasticity in their target areas. So my conclusion is that studying such short term plasticity, its dynamic nature and its mechanism may reveal some very important aspects of brain function, which may not be less important than the long term changes. Now, although these short forms of plasticity have been described already in the very early work on the neuromuscular junction by Katz and Miledi, we still... I think there are still many things which we don’t know about them and some of the essential features that we don’t probably understand yet. Now, what can happen when a synapse changes its strength, its short term plasticity? These are of course many things because it’s a multi-step process. There may be changes in the action potential wave form and the associated calcium influx. There may be postsynaptic changes, there may be inhibitory so-called auto receptors which feed back so that the transmitter feeds back onto the willingness of the remaining vesicles to release. There is a problem of recycling of vesicles and consumption of vesicles. In general, I think these are processes which molecularly mainly involve changes in second messenger levels, changes in phosphorylation and possibly also cytoskeletal reorganisations due to all the trafficking. Now in the rest of my talk I want to concentrate on basically two aspects, namely the depression mediated by the depletion of vesicles and the changes in the... molecular changes in the release apparatus which modulate the willingness of release-ready vesicles to actually fuse in response to a calcium stimulus. Now, we have been studying this process for a number of years in a very special synapse, the so-called Calyx of Held synapse. This is a synapse in the auditory pathway. What you see here is a slice of the brain stem with the auditory pathway laid out. The auditory fibres make first synapse in the ventral cochlear nucleus. The axon of the receiving neuron transverses the midline and makes a contact here with another cell in the so-called medium MNTB, the medium nucleus of trapezoid body. And both of these synapses here which have this very special shape of a calix or cup-like presynaptic terminal surrounding a compact postsynaptic cell body. And the special shape of the synapses is probably due to the fact that for the sound localisation for directional hearing the signals are coming from the two ears have to be processed very precisely so that at the point where the information from one ear meets the information from the other ear in the lateral superior olive the very fine differences in intensity and timing can be detected. So we have here a synapse which is very special in its geometry but which offers for electrophysiology the advantage that both the pre- and the postsynaptic compartments can be voltage clamped, can be a subject of very precise electrophysiological measurements simultaneously. And this was indeed found in Bert Sakmann’s lab by Gerard Borst and Bert Sakmann now almost twenty years ago. So we studied this synapse and studied its plasticity. Just to point out what we can do since we can voltage clamp the pre- and postsynaptic compartments and record corresponding currents. We can control the ionic milieu inside both compartments for precise analysis of the current flow. We can load the terminal with fluorescent indicator. Theis and me have been doing so over fifteen years, mainly using Roger Tsien’s fluorescent dyes. Well, we can do many things with this synapse which cannot be done in other synapses because usually synapses are very small bouton-like structures which are just too small to be approached and targeted by electrophysiological electrodes. Now, most of the calyxes of this kind show prominent synaptic depression. This is a response to a 100 Hz stimulus after the synapse was given some rest. We see a very large first excitatory current now, an invert current which is induced by the neurotransmitter glutamate which is released from the presynaptic terminal. A second stimulus 10 ms later gives a smaller response and finally after four or five stimuli the response is quite small. Now the synapse works at very high spike rates. The auditory nerve is highly active with between 10 and 50 action potentials per second even in the completely silent state. So this synapse, at least the one shown here, would work in a permanent state of partial depression. So that’s the physiological state of the synapse. But when we look in detail... This is the average response. When we look in detail at the pattern of short term plasticity, we see that some of the cells here just one particular cell displayed does show this very strong depression. This is shown here for three frequencies: 200 Hz, 100 Hz and 50 Hz. But in the same preparation next to that cell which shows this behaviour maybe we may find another cell which shows exactly the opposite, namely an initial facilitation. The second response is bigger than the first one followed by depression. Now, this is understood in the sense... Or I should point out that compared to this cell that cell has a very much smaller first EPSC namely of only about 1.1 nanoamp, whereas this had 2.5 nanoamp. So the understanding of this pattern is that in this cell the release probability was so high that during the first response already a good fraction of the available vesicles got released so that subsequent responses were smaller. In this cell the release probability during the first stimulus was smaller so that the record reveals that indeed for the second and third stimulus the excitation power of the nerve is stronger that the release probability for the remaining vesicles increases. So this biphasic behaviour comes about by first an increase in the release probability which is seen only when the initial release probability is very small. But then eventually there’s more and more stimuli. The synapse will use up all its vesicles and will fall into depression. Okay, so this consideration already points out that the so-called paired-pulse ratio, the ratio of the second to the first stimulus is a kind of measure which is used by many physiologists to first of all characterise the short term plasticity behaviour of the synapse and then also this measure is used as a kind of indicator of how large initial release probability is. Now when I record from 31 synapses like this and plot this so-called paired-pulse ratio against the amplitude of the first EPSC, I see there is a systematic relationship and that the larger the first EPSCs, the smaller the paired-pulse ratio. This is in line with many observations that were made at other synapses. Okay, but still since we are dealing here with synapses which are supposed to do the same job, which are morphologically all the same, which no obvious differences, one asks the question Why does this have a smaller release probability and a large PPR and this one is the opposite? So the hypothesis is that vesicles which are release-ready can indeed exist in two states. In a state of low release probability, typically the numbers would be that about 5 - 10% of the vesicles would be released by a single action potential. And the so-called super prime state with high release probability. Now, this term “super-prime” has been used in a number of contexts and a number of molecular mechanisms have been proposed. Why a super-prime vesicle has higher release probability than the other one, I will come back to that and try to explain that it’s probably the energy barrier of fusion which is being changed by biochemical modulatory influences. Okay, that’s written here in this last sentence, namely that it’s background modulator influences probably by diffusely projecting transmitting systems which cause diversity. Now, what kind of signalling mechanism might be underlying this? The most prominent one which probably is connected to this is the diacylglycerol mediated signalling pathways, one variant of the g-protein mediated pathways discussed yesterday by Dr. Kobilka. Where a receptor interacts with a g-protein, the g-protein activates phospholipase C splitting inositol phospholipids generating the second messenger diacylglycerol and IP3 which releases calcium. Now, it has been shown before that this diacylglycerol branch of the pathway has a special role in priming of synaptic vesicles and also in the release of synaptic vesicles. Namely there is a protein called MON-13 which has a so-called C1 domain. A domain which responds to a diacylglycerol and previous work has shown that this MON-131 is involved in the priming process and probably also then in the regulation of the energy barrier for release. So, we cannot of course change the brain state by stimulating... by diffusely projecting neurons in the brain slice preparation. I should mention this, all these experiments are done in rat brain slices with the conventional electrophysiological techniques. But we can mimic so to speak the action of this diacylglycerol mediated signalling by applying a phorbol ester, a mimic of diacylglycerol. And what you observe is when you apply this substance all the EPSCs are on average 2-5 times larger than under control conditions. And if we now plot the paired-pulse ratio again against the first EPSCs, we see that these new data points which are the filled symbols nicely follow the trend from the control data point and this more or less seamless continuation also overlapping between some of the points under phorbol ester and some of the points under control conditions. Seems to tell me or provokes the hypothesis that phorbol ester shifts this equilibrium or this dynamic equilibrium between primed and super-primed vesicles to the super-primed site. Now when you look at this property further, you can see that super-priming is a property of rested synapses. At 200 Hz stimulation EPSCs converge to the same steady state value. This is shown here in these recordings. Here is the first response of a relatively large cell or a cell with large EPSC under the influence of phorbol ester. This value is from the same cell without phorbol ester. This is a cell with a relatively small amplitude but under phorbol ester and this is the corresponding first value for the same cell without phorbol ester. Now you see the first responses are very, very different. Nevertheless the second, third, fourth, fifth responses converge to the same level. And the same level is not 0, it is just very similar. So in that sense it seems that super-priming or this differentiation between synapses only occurs... it needs time. It’s only present when the time, when the synapses had time to develop its super-priming. Interpretation of this finding is that as I just mentioned if the synapse has time to develop a super-prime state, then there is this difference. If however during such a drain there is a kind of constant flow of vesicles being released and newly recruited... I mean this steady state is a kind of steady state between vesicle consumption and vesicle delivery. So the hypothesis is that, well, if the cell is not allowed to go into super-prime state, then all these cells behaves the same. Of course this can be readily put into a simple kinetic model, where you assume that in order for vesicles to be released, they have to first undergo some molecular, some step which puts them docked at the membrane and into a state which is ready to be released. And if there is enough time then they can even mature further into super-prime state. So the first priming state will be fast. The second state would be slow. Now, this explains this behaviour. It also explains quantitatively what you observe when you plot the steady state value of release versus stimulation frequency. Here you see two curves, one under control conditions, one under a phorbol ester. These are normalised to the respective first value but you can see that the broken curves which are predictions of this simple model very nicely follow the experimental points. This is also the case for the low end of the relationship connecting steady state release and frequency. And of course from this model you then can extract the relevant and most interesting parameters, namely the data are compatible with the idea that the normally primed state has a release probability of here in this case 0.06, a relatively small release probability, whereas the super-prime state has a probability of 0.42. The so-called priming rate is fast, 4 per second, which means that in about 250 mms a new vesicle is loaded onto a release site whereas the rate for this second super-priming step is very low in the control case and enhanced by the action of the phorbol ester. Okay, now the findings which I described are not singular to the Calyx of Held. The various aspects of the findings are shared by a variety of other synapses. So the heterogeneity between synapses of the same type has been described also for the mouse neuromuscular junction. The prototype synapse, the hippocampus between CA3 and CA1 neurons, has been shown a few years ago to show similar, very similar kind of heterogeneity by a series of papers by Hanse and Gustafsson and some more recent papers. Also this phenomenon of what I call here the collapse of heterogeneity at higher frequency has been described by Hanse and Gustafsson and discussed by Walters and Smith in the context of information processing in neuronal networks. And this slow conversion from prime to super-prime state has indeed also been an element in a model proposed by Stefan Hallermann for cerebellar mossy fibre synapses. So, although I think the action potential wave form and calcium influx is the strongest modulatory influence on the short term plasticity because calcium currents are known to be able to show what's called facilitation, also inactivation, they are regulated themselves by G-protein pathways and so on. And when there are changes in calcium influx there are very large changes as a consequence in the release due to the very steep relationship between calcium influx and release. But I think the experiments and the Calyx of Held make a strong point for this other form of modulation of short term plasticity which is not due to calcium influx. We can tell this is a Calyx of Held because the influence of phorbol ester on calcium influx has been very carefully studied by Ralf Schneggenburger’s laboratory a few years ago. Although these previous papers have shown that there are no major changes in pool size. So the phenomenon I described really seems to be a relatively novel form of change of modulation in the energy barrier for releasing a vesicle. Well, the similarity between modulation by phorbol ester and the heterogeneity at the synapses at rest suggests that the heterogeneity actually comes from different degrees of background modulation. And I think that this concept of two states of release-ready vesicles and the influence of super-priming will contribute to understanding a number of important phenomena of signal processing in our brain. So of course this is not my work, indeed all the data shown were obtained by Holger Taschenberger who until recently was a postdoctoral fellow in my lab. My contribution as an Emeritus is only data analysis and model building. Many of the ideas and background data were provided by Takeshi Sakaba, a long term collaborator who is now in Doshisha University in Kyoto, Ralf Schneggenburger who is a professor at the APFL in Lausanne and Suk-Ho Lee, a colleague from Seoul National University. Thank you for your attention.

Vielen Dank Ihnen, Dr. Blatt, für die einführenden Worte. Für mich ist es eine große Ehre, vor rund 600 der besten jungen Nachwuchswissenschaftler der Welt sprechen zu können, von denen, so hoffe ich, vielleicht einige an einem sehr spannenden Thema interessiert sind, nämlich zu verstehen, wie unser Gehirn funktioniert. Roger Tsien hat Ihnen eben einige interessante Theorien und Fakten über die sehr langzeitigen Formen von Plastizität vermittelt, von denen man sogar annimmt oder die dazu geeignet sind, Informationen im Gehirn zu speichern, um Mechanismen des Lernens und des Gedächtnisses zu vermitteln. Ich möchte die andere Seite beleuchten, nämlich die sehr kurzzeitigen Formen der Plastizität. Aber bevor ich damit beginne, möchte ich Ihnen zunächst einige Folien darüber zeigen, wie sich unsere Kenntnisse über die Vorgänge im Gehirn in den letzten 200 Jahren entwickelt haben. Und das beginnt natürlich mit den berühmten Experimenten der italienischen Wissenschaftler Walter und Galvani. Galvani, der uns gelehrt hat bzw. in spektakulären Experimenten gezeigt hat, dass der Froschmuskel durch eine Stromstoßstimulation des Nervs zum Kontrahieren angeregt werden kann. Damit wurde nachgewiesen, dass es in unserem Körper in der Tat so etwas wie Elektrizität, elektrische Signalwege gibt. Hundert Jahre später zeigten uns die wunderbaren Zeichnungen des spanischen Neuroanatomisten Ramón y Cajal, dass unser Gehirn aus diesem filigranen Neuronennetzwerk besteht. Roger Tsien hat bereits darauf Bezug genommen. Und heute wissen wir, dass unser Gehirn ein Netzwerk aus rund 10^12 solcher über Synapsen miteinander verbundenen Neuronen ist. Durchschnittlich empfängt jedes einzelne Neuron rund 1000 bis 10.000 Inputsignale von anderen Neuronen. Was ist eigentlich ein Neuron, diese merkwürdige Zelle, diese merkwürdige Struktur? Es ist nichts anderes als eine relativ normale Zelle, die allerdings mit einigen speziellen Strukturen ausgestattet ist. Selbst eine normale Zelle verfügt über bestimmte Prozesse, die als Mikrovilli bezeichnet werden. Im Neuron werden solche Prozesse in dem Sinne verstärkt, dass ein Neuron über zwei Arten von Protrusionen verfügt, von denen einige als Dendriten bezeichnet werden, die die Empfängerorgane des Neurons sind. Und ein spezielles Protrusion ist das Axon, eine röhrenartige Struktur, die sehr lang sein kann und die den Nervenimpuls auf Zellen überträgt, mit denen dieses spezielle Neuron verbunden ist. Jedes Neuron erhält also Input-Signale von Tausenden anderer Neurone, in erster Linie an seinen Dendriten. Diese Signale, die von sich entwickelnden Zellen geliefert werden, können sowohl erregend als auch hemmend wirken. Ein einzelnes Neuron integriert oder summiert diese Signale. Immer dann, wenn das elektrische Potenzial im Zellsoma infolge all dieser auf eine bestimmte Zelle einwirkenden Einflüsse einen bestimmten Schwellenwert übersteigt, wird ein Aktionspotenzial oder ein Nervenimpuls am so genannten Axonhügel erzeugt. Und dieses Nervenaktionspotenzial wandert dann das Axon herunter zu den Nervenenden, die andere Neuronen anregen oder hemmen. Es gibt einen netten Animationsfilm von Dr. Hasan von der Science Bridge in Heidelberg, der einen Eindruck darüber vermittelt bzw. verdeutlicht, wie dieses Feuerwerk von Axonpotenzialen in Teilen unseres Gehirns ablaufen könnte. Sie sehen hier, dass ein Signalinput ein Aktionspotenzial abfeuert, das sich verbreitet und weiter erregt. Und das setzt sich dann weiter fort. Der Film ist nicht in jedem Detail korrekt, aber das ändert nichts daran, dass man, wie ich finde, eine grundsätzliche Vorstellung erhält. Wenn man die Konnektivität zwischen Neuronen untersuchen möchte, gilt das Interesse der Synapse, die hier dieser kleine Bouton ist, wo ein vorausgehendes Neuron Signale … oder ein sendendes Neuron Signale auf ein empfangendes Neuron überträgt. Und Kenntnisse darüber, was an der Synapse passiert, wurden zunächst tatsächlich nicht an der Synapse zwischen Nervenzellen gesammelt, sondern das begann bei der neuromuskulären Verbindung – einer Synapse, die eine Verbindung zwischen einem Neuron und der zugrunde liegenden Muskelzelle herstellt. Wenn das Nervensystem die Kontraktion eines bestimmten Muskels erreichen will, sendet es über den motorischen Nerv ein Aktionspotenzial an die entsprechenden Muskelzellen. Dort verzweigen sich die Nervenenden in mehrere Enden und dort passiert dann exakt das Gleiche wie zwischen zwei Neuronen, nämlich, dass das präsynaptische Ende einen Transmitter freisetzt, der das zugrunde liegende Neuron erregt. Unsere Kenntnisse über diese Prozesse stammen größtenteils von Experimenten, die Sir Bernard Katz und Del Castillo zur Untersuchung der Synapse durchgeführt haben. Und ich zeige Ihnen hier eine ihrer frühen Registrierungen des Signals, das in einer Muskelfaser erfasst werden kann wenn der diesen Muskel integrierende Nerv stimuliert wird. Sie sehen hier zwei Phasen, zuerst ein sogenanntes exzitatorisches postsynaptisches Potenzial, das den Effekt des vom Nerv freigesetzten Transmitters repräsentiert. Und beim Überschreiten des Schwellenwertes wird genauso wie in einer Nervenzelle ein Aktionspotenzial in der Muskelzelle ausgelöst, das dann die Kontraktion initiiert. Katz und Del Castillo beschäftigten sich detailliert mit dem, was hier vor oder unmittelbar während der Ruheperioden geschieht. Und sie entdeckten, dass beim Aufdrehen der Leistung ihres Verstärkers all diese spontan auftretenden, kleinen Signalpunkte erschienen. Das waren wirklich sehr, sehr, sehr kleine Signale. Üblicherweise würden die meisten Forscher, die die Arbeit mit empfindlichen Verstärkern bei hoher Leistung gewohnt sind, solche Signale verwerfen, da es eine Vielzahl von Störquellen und Einflüssen durch andere Instrumente in der Nähe gibt. Katz und Del Castillo machten das aber nicht und untersuchten tatsächlich diese kleinen Signale, weil ihnen aufgefallen war, dass diese kleinen Signalpunkte nur zu sehen waren, wenn die Signalerfassung in der direkten Nähe der neuromuskulären Verbindung erfolgte, wo der Nerv ist. Erfolgte die Signalerfassung nur einige wenige Millimeter daneben auf demselben Muskel, beobachteten sie diese charakteristischen Signalpunkte nicht. In einiger Entfernung zum Muskel war auch die Wellenform des globalen Signals anders. Dieses anfängliche postsynaptische Potenzial fehlte. Was sie sahen, war einfach die elektrische Erregbarkeit, die sich in der Muskelfaser ausbreitet. Sie stellten außerdem fest, dass die Amplitude dieses exzitatorischen postsynaptischen Signals sehr stark von der Kalziumkonzentration im Medium abhängt. Wenn sie die Kalziumkonzentration reduzierten, wurde dieses Ausgangssignal kleiner, sodass schließlich das Aktionspotenzial versagte. Zurück blieb ein kleines Signal. Und wenn sie dieses extrem reduzierten, beobachteten sie, dass der stimulierende Nervenimpuls manchmal ein Signal wie dieses auslöste und es ihm manchmal nicht gelang, ein Signal auszulösen. Solche Ergebnisse führten in Kombination mit den elektronenmikroskopischen Daten aus dem De Robertis Labor in Argentinien über an den synaptischen Enden bestehende, kleine Strukturen, die heute als synaptische Vesikel bezeichnet werden, zu der Erkenntnis, dass an dem Nerv, an der Synapse das Folgende passiert: Der Nervenimpuls verursacht einen Kalziumeinstrom in die Nervenendigung. Deshalb ist dieser Prozess so stark von der extrazellulären Kalziumkonzentration abhängig. Das Kalzium verursacht die Fusion dieser Vesikel, die dann ihren Neurotransmitterinhalt freisetzen. Und natürlich führt ein Aktionspotenzial mit Kalziumeinstrom zu einer simultanen Freisetzung vieler solcher Vesikel. Die kleinen Signalpunkte, die bei der hochauflösenden Erfassung beobachtet worden waren, wurden als Spontanfusion solcher Vesikel mit der Plasmamembran interpretiert. Der Neurotransmitter diffundiert postsynaptisch zur Postsynapse und öffnet Ionenkanäle in der postsynaptischen Membran. Wir haben hier also eine Art von Transformation eines elektrischen Signals in ein chemisches Signal, das von einem präsynaptischen Ende freigesetzt wird und in der postsynaptischen Membran in ein elektrisches Signal zurückübersetzt wird. Nun zur synaptischen Plastizität. Der Begriff „Plastizität“ beschreibt die Beobachtung, dass die synaptische Erregung, bei der es sich um ein im postsynaptischen Neuron durch ein präsynaptisches Aktionspotenzial erzeugtes Signal handelt, keine feststehende Größenordnung wie bei einem Computer aufweist, sondern sich, abhängig vom Gebrauch der Synapse, kontinuierlich verändert. Neurowissenschaftler sind davon überzeugt, dass diese Plastizität ein sehr entscheidender Aspekt in der neuronalen Signalverarbeitung des Nervensystems ist und dass tatsächlich insbesondere die langfristigen Veränderungen der neuronalen Konnektivität Lernen und Gedächtnis zugrunde liegen. Und das war, so wie ich es verstanden habe, auch das Thema von Roger Tsien. Die Kurzzeitplastizität ist demgegenüber meiner Meinung nach genauso wichtig, weil sie grundsätzliche informationsverarbeitende Aufgaben wie Adaptation, Filterung und andere vermittelt. Ich werde in einer meiner nächsten Folien auf solche Aufgaben eingehen. Interessant ist auch, dass verschiedene Synapsentypen eine eigene Persönlichkeit in Bezug auf diese Kurzzeitplastizität zeigen. Wenn man Synapsen, etwa Kletterfasern, wiederholt stimuliert, zeigen einige Synapsen eine Art von Depression in dem Sinne, dass die erste Reaktion nach einer Ruhephase sehr groß ist und danach kleinere Reaktionen folgen. Bei anderen Synapsen ist exakt das Gegenteil zu beobachten, nämlich zunächst eine kleinere Reaktion, gefolgt von zunehmend größeren Reaktionen. Und wieder andere Synapsen weisen komplexere Verhaltensweisen auf. Eine bestimme Synapse verfügt also durchschnittlich über eine gewisse Form der Plastizität. Hier ist ein Beispiel dafür, wozu eine Kurzzeitdepression in einem Netzwerk gut sein kann, in dem viele solcher Neuronen zusammenkommen, um eine Aufgabe zu erfüllen. Ich erwähnte bereits, dass eine solche Depression gut dafür ist, die Adaptation an sensorische Stimuli zu ermöglichen. Das ist gut für die so genannte Verstärkungsregelung, die die Amin-Aktivität in bestimmten Hirnregionen reguliert. Man kann Netzwerke mit Synapsen bauen, an denen eine rhythmisch auftretende Depression erfolgt. Es kann eine zeitliche Filterung veranlasst werden. Aber auch komplexere Aufgaben des zentralen Nervensystems, wie die Schalllokalisation können in neuronalen Netzen mit Hilfe einer Kurzzeitdepression bewältigt werden. Und selbst das so genannte Orientierungstuning, ein im primären visuellen Kortex beobachtbares individuelles System mit bestimmten Zellen, die in erster Linie auf Kontraste in einer bestimmten Orientierung reagieren … Man kann das simulieren und eine Unempfindlichkeit gegenüber…eine Invarianz gegenüber Differenzen im absoluten Kontrast erreichen, indem man eine Kurzzeitdepression in das Netzwerk induziert. Auch ein weiterer, heute diskutierter Aspekt ist eine Erscheinungsform der Kurzzeitplastizität, nämlich das Umschalten zwischen verschiedenen Gehirnzuständen. Wir wissen, dass unser Gehirn innerhalb von Sekunden zwischen unterschiedlichen Zuständen hin und her schalten kann, beispielsweise Ruhezustand, Stresszustand, Erregungszustand, Fokussierung, Aufmerksamkeit. Mit dem EEG lassen sich verschiedene Schlafzustände beobachten, bei denen das EEG-Muster innerhalb von Sekunden zwischen den gut bekannten REM-Schlafphasen und anderen Phasen wechselt. Solche schnellen Wechsel können natürlich nicht auf Veränderungen in der Langzeitplastizität zurückgeführt werden, weil diese Zeit braucht, um sich zu entwickeln, und trainiert werden muss usw. Es ist bekannt, dass solche Gehirnzustände durch zahlreiche diffus projektierende Transmittersysteme gesteuert werden, wie dopaminerge, adrenerge, cholinerge, peptiderge Systeme usw. Da geht es grundsätzlich um all die Arten von Inputmechanismen, die Dr. Kobilka gestern in seinem Vortrag erläutert hat. Und man weiß auch, dass solche diffus projizierten Transmittersysteme Kurzzeitänderungen, Kurzzeitplastizität in ihren Zielgebieten [verursachen]. Meine Schlussfolgerung lautet deshalb, dass die Untersuchung dieser Kurzzeitplastizität, ihrer dynamischen Art und ihres Mechanismus einige sehr bedeutende Aspekte der Gehirnfunktion aufklären könnte, die ebenso wichtig sein dürften wie die Langzeitveränderungen. Obwohl diese kurzzeitigen Plastizitätstypen bereits in der sehr frühen Arbeit über die neuromuskuläre Verbindung von Katz und Miledi beschrieben wurden, gibt es immer noch … gibt es meiner Meinung nach immer noch viele Dinge, die wir darüber nicht wissen, und bis heute verstehen wir viele wesentliche Merkmale nicht. Was geschieht, wenn eine Synapse ihre Stärke, ihre kurzzeitige Plastizität verändert? Das sind natürlich viele Dinge, denn das ist ein mehrstufiger Prozess. Es können Veränderungen an der Wellenform des Aktionspotenzials und im assoziierten Kalziumeinstrom auftreten. Es kann postsynaptische Veränderungen geben. Inhibitorische, so genannte Autorezeptoren können für eine Rückkopplung sorgen, sodass der Transmitter auf die Freisetzungsbereitschaft der restlichen Vesikel zurückwirkt. Dann entsteht ein Problem des Vesikelrecyclings und des Vesikelverbrauchs. Grundsätzlich glaube ich, dass es sich hier um Prozesse handelt, die molekular im Wesentlichen Änderungen auf der Ebene von Second Messenger-Systemen, Änderungen bei der Phosphorylierung und möglicherweise zytoskeletale Reorganisationen aufgrund des gesamten Transports verursachen. Ich möchte mich für den Rests meines Vortrags im Wesentlichen auf zwei Aspekte konzentrieren, nämlich auf die durch die Vesikeldepletion vermittelte Depression und auf die Änderungen im … die molekularen Änderungen im Freisetzungsapparat, die die Bereitschaft der freisetzungsbereiten Vesikel modulieren, in Reaktion auf einen Kalziumstimulus tatsächlich zu fusionieren. Wir untersuchen diesen Prozess seit einigen Jahren an einer sehr speziellen Synapse, der so genannten Heldsche-Calyx-Synapse, einer Synapse in der Hörbahn. Das hier ist ein Schnitt des Stammhirns mit der angelegten Hörbahn. Die Hörhärchen stellen im ventralen Bereich des Nukleus cochlearis eine erste Synapse her. Das Axon des empfangenden Neurons überquert die Mittellinie und stellt einen Kontakt zu einer anderen Zelle im so genannten mittleren MNTB her, dem mittleren Nukleus des trapezförmigen Körpers. Und diese beiden Synapsen hier haben diese sehr spezielle Form einer Kylix oder einer schalenförmigen, präsynaptischen Endigung, die einen kompakten postsynaptischen Zellkörper umgibt. Die spezielle Synapsenform hängt wahrscheinlich mit der Tatsache zusammen, dass die von beiden Ohren kommenden Signale für die Schalllokalisierung sehr exakt verarbeitet werden müssen, damit an dem Punkt, an dem die Informationen an der lateralen und superioren Hirnolive von einem Ohr auf die Informationen vom anderen Ohr treffen, sehr feine Intensitäts- und Zeitunterschiede erfasst werden können. Wir haben hier eine Synapse mit einer sehr speziellen Geometrie, die allerdings im Sinne der Elektrophysiologie den Vorteil bietet, dass die beiden prä- und postsynaptischen Kompartimente mit Spannung versorgt werden und simultan sehr genauen elektrophysiologischen Messungen unterzogen werden können. Und dies wurde vor inzwischen mehr als 20 Jahren in Bert Sakmanns Labor von Gerard Borst und Bert Sakmann herausgefunden. Diese Synapse also haben wir untersucht und ihre Plastizität erforscht. Nur um Ihnen zu zeigen, was uns möglich ist, seit wir die prä- und postsynaptischen Kompartimente mit Spannung versorgen können und entsprechende Ströme erfassen können: Wir können in der ionischen Umgebung innerhalb der beiden Kompartimente den Stromfluss exakt messen. Wir können das Ende mit einem Fluoreszenzindikator aufladen. Theis und ich machen das seit über fünfzehn Jahren, wir arbeiten dazu hauptsächlich mit den Fluoreszenzfarbstoffen von Roger Tsien. Wir können mit dieser Synapse viele Dinge machen, die mit anderen Synapsen nicht möglich sind, weil Synapsen normalerweise sehr kleine, boutonartige Strukturen sind, die einfach zu klein sind, um sie mit elektrophysiologischen Elektroden anzugehen. Die meisten Calyxe dieser Art weisen eine markante synaptische Depression auf. Das hier ist die Reaktion auf einen 100-Hz-Reiz, nachdem die Synapse eine Erholungspause hatte. Wir sehen jetzt einen sehr großen ersten Erregungsstrom, einen inverten Strom, der durch das Neurotransmitter-Glutamat induziert wird, das von der präsynaptischen Endigung freigesetzt wird. Ein zweiter Reiz, 10 ms später, ergibt eine kleine Reaktion. Und schließlich ist die Reaktion nach vier oder fünf Stimuli nur noch sehr gering. Die Synapse arbeitet bei sehr hohen Spike-Raten. Der Hörnerv ist mit 10 bis 50 Aktionspotenzialen pro Sekunde sogar im vollständigen Ruhezustand äußerst aktiv. Diese Synapse, zumindest die hier dargestellte, würde also in einem Dauerzustand der partiellen Depression arbeiten, obwohl das der physiologische Zustand der Synapse ist. Aber wenn wir uns das genau anschauen … das ist die Durchschnittsreaktion. Wenn wir uns das Muster der kurzzeitigen Plastizität detailliert anschauen, erkennen wir, dass einige Zellen – hier nur eine dargestellte Zelle – diese sehr starke Depression aufweisen. Das wird hier für drei Frequenzen gezeigt: 200 Hz, 100 Hz und 50 Hz. In derselben Darstellung können wir neben der Zelle mit diesem Verhalten möglicherweise eine andere Zelle finden, die exakt das Gegenteil zeigt, nämlich eine erste Fazilitation. Die zweite Reaktion ist größer als die erste, gefolgt von einer Depression. Nun, dies ist in dem Sinne zu verstehen … oder ich sollte anmerken, dass diese Zelle im Vergleich zu dieser Zelle einen sehr viel geringeren ersten EPSC (Excitatory Postsynaptic Current) aufweist, nämlich nur rund 1,1 Nanoamp, wobei das hier bei 2,5 Nanoamp liegt. Das Muster ist also so zu verstehen, dass in dieser Zelle die Freisetzung wahrscheinlich so hoch ist, dass bereits während der ersten Reaktion ein guter Bruchteil der verfügbaren Vesikel freigesetzt wurde, sodass nachfolgende Reaktionen geringer ausfielen. In dieser Zelle war wahrscheinlich die Freisetzung während des ersten Reizes geringer, sodass die erfassten Daten offen legen, dass die Erregungsleistung des Nervs bei der zweiten und dritten Stimulierung tatsächlich stärker ist und die Freisetzungswahrscheinlichkeit für die restlichen Vesikel zunimmt. Diese biphasische Verhaltensweise hat zunächst einen Anstieg in der Freisetzungswahrscheinlichkeit zur Folge, die nur beobachtet wird, wenn die anfängliche Freisetzungswahrscheinlichkeit sehr gering ist. Aber dann gibt es schließlich mehr und mehr Stimuli und die Synapse wird ihre gesamten Vesikel verbrauchen und danach in die Depression verfallen. Okay, diese Überlegung deutet bereits darauf hin, dass das so genannte Paired-Pulse-Verhältnis, das Verhältnis des zweiten zum ersten Stimulus, ein Maßstab ist, den viele Physiologen zur ersten Charakterisierung des kurzzeitigen Plastizitätsverhaltens der Synapse verwenden. Dieser Parameter wird auch als eine Art Indikator darüber verwendet, wie groß die anfängliche Freisetzungswahrscheinlichkeit ist. Wenn man solche Erfassungen an 31 Synapsen vornimmt und dieses so genannte Paired-Pulse-Verhältnis gegenüber der Amplitude des ersten EPSC darstellt, erkennt man, dass eine systematische Beziehung besteht: Je größer die ersten EPSCs sind, umso kleiner fällt das Paired-Pulse-Verhältnis aus. Das stimmt mit vielen Beobachtungen überein, die an anderen Synapsen gemacht wurden. Okay, aber noch immer haben wir es hier mit Synapsen zu tun, die vermutlich die gleiche Aufgabe erfüllen, morphologisch alle gleich sind und keine offensichtlichen Unterschiede aufweisen. Und dann stellt man sich doch die Frage, was diese Synapsen so unterschiedlich macht? Warum hat diese dann eine wesentlich geringe Freisetzungswahrscheinlichkeit und eine großes PPR (Paired-Pulse-Verhältnis) und warum ist bei dieser genau das Gegenteil der Fall? Die Hypothese ist, dass freisetzungsbereite Vesikel tatsächlich in zwei Zuständen vorkommen können: In einem Zustand mit geringer Freisetzungswahrscheinlichkeit, wobei typischerweise rund 5 bis 10% der Vesikel durch ein einzelnes Aktionspotenzial freigesetzt würden, und im so genannten Super-Prime-Zustand mit hoher Freisetzungswahrscheinlichkeit. Der Begriff „Super Prime“ wurde in verschiedenen Kontexten verwendet, wobei verschiedene molekulare Mechanismen vermutet wurden. Warum ein Super-Prime-Vesikel eine höhere Freisetzungswahrscheinlichkeit aufweist als ein anderes, werde ich später erläutern. Wahrscheinlich hat das mit der Fusionsenergiebarriere zu tun, die sich durch biochemische modulatorische Einflüsse verändert. Okay, das steht hier in diesem letzten Satz hier, nämlich dass wahrscheinlich die modulatorischen Hintergrundeinflüsse durch diffus projektierende Transmittersysteme Diversität verursachen. Welche Signalmechanismen können dem zugrunde liegen? Der markanteste, der wahrscheinlich damit zu tun hat, sind die diacylglycerol-vermittelten Signalwege, eine Variante der G-Protein-vermittelten Signalwege, die Dr. Kobilka gestern erläutert hat. Dabei interagiert ein Rezeptor mit einem G-Protein, das G-Protein aktiviert Phospholipase C, die Inositolphospholipide werden aufspalten, was Second-Messenger-Diacylglycerol und IP3 erzeugt, das dann Kalzium freisetzt. Es wurde nachgewiesen, dass dieser Diacylglyerol-Zweig des Signalweges eine spezielle Funktion beim Priming von synaptischen Vesikeln sowie in der Freisetzung von synaptischen Vesikeln übernimmt. Konkret gibt es ein Protein mit der Bezeichnung MON-13, das eine so genannte C1-Domäne hat, eine Domäne, die auf ein Diacylglycerol reagiert. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass dieses MON-13.1 am Primingprozess und wahrscheinlich auch an der Regulierung der Energiebarriere für die Freisetzung beteiligt ist. Natürlich können wir den Gehirnzustand nicht durch Stimulation … durch diffuse Projektion von Neuronen im Hirnschnittpräparat verändern. Ich sollte erwähnen, dass all diese Experimente mit konventionellen elektrophysiologischen Techniken an Hirnschnitten von Ratten durchgeführt werden. Aber wir können sozusagen die Aktion dieses diacylglycerol-vermittelten Signalweges nachahmen, indem wir Phorbol-Ester anwenden, eine Nachahmung von Diacylglycerol. Und bei Anwendung dieser Substanz kann man beobachten, dass alle EPSCs durchschnittlich zwei bis fünf Mal stärker sind als unter Kontrollbedingungen. Und wenn wir dann erneut das Paired-Pulse-Verhältnis gegenüber den ersten EPSCs abbilden, sehen wir, dass diese neuen Datenpunkte, also diese gefüllten Symbole, sehr gut dem Trend der Kontrolldatenpunkte folgen und dann sieht man diese mehr oder weniger nahtlose Fortsetzung mit einer Überlappung zwischen einigen Punkten unter Phorbol-Ester und einigen Punkten unter Kontrollbedingungen. Das scheint mir zu sagen bzw. reizt mich zumindest zu der Hypothese, dass Phorbol-Ester dieses Gleichgewicht oder dieses dynamische Gleichgewicht zwischen geprimten und super-geprimten Vesikeln zur super-geprimten Seite hin verlagert. Bei näherer Betrachtung dieser Eigenschaft erkennt man, dass Super-Priming eine Eigenschaft von ausgeruhten Synapsen ist. Bei einer 200 Hz starken Stimulierung konvergieren die EPSCs beim gleichen Steady-State-Wert. Das wird hier an diesen Daten ersichtlich. Hier ist die erste Reaktion einer relativ großen Zelle oder einer Zelle mit großem EPSC unter dem Einfluss von Phorbol-Ester. Dieser Wert stammt von derselben Zelle ohne Phorbol-Ester. Das hier ist eine Zelle mit einer relativ kleinen Amplitude, aber unter Phorbol-Ester, und das ist der entsprechende erste Wert für dieselbe Zelle ohne Phorbol-Ester. Die ersten Reaktionen weichen also sehr stark voneinander ab. Dennoch laufen die zweite, dritte, vierte, fünfte Reaktion auf derselben Ebene zusammen. Und dieselbe Ebene heißt nicht 0, aber ziemlich ähnlich. Und in diesem Sinne scheint es so zu sein, dass das Super-Priming oder diese Differenzierung zwischen Synapsen nur auftritt … sie braucht Zeit … sie also nur auftritt, wenn die …Synapsen Zeit hatten, ihr Super-Priming zu entwickeln. Die Interpretation dieses Ergebnisses ist die, die ich gerade bereits erwähnt habe: Wenn die Synapse Zeit genug hat, einen Super-Prime-Zustand zu entwickeln, ergibt sich diese Differenz. Wenn allerdings während eines solchen Ablaufs ein konstanter Vesikelstrom freigesetzt und neu rekrutiert wird…ich meine, dieser Dauerzustand ist eine Art von Steady-State zwischen Vesikelverbrauch und Vesikellieferung. Die Hypothese lautet also: Wenn es der Zelle nicht ermöglicht wird, in den Super-Prime-Zustand zu gehen, verhalten sich all diese Zellen gleich. Dies kann man natürlich in einem simplen kinetischen Modell darstellen, wobei man annimmt, dass die freizusetzenden Vesikel zunächst einige molekulare Schritte durchlaufen müssen, die sie an die Membran andocken und in einen Zustand versetzen, der eine Freisetzung ermöglicht. Und wenn genug Zeit ist, können sie sogar weiter zum Super-Prime-Zustand heranreifen. Der erste Priming-Zustand wird sich schnell entwickeln, der zweite wäre langsam. Das erklärt also dieses Verhalten. Es ist auch eine quantitative Erklärung dessen, was man bei der Darstellung des Steady-State-Wertes der Freisetzung gegenüber der Stimulationsfrequenz beobachtet. Hier sehen Sie zwei Kurven, eine unter Kontrollbedingungen, eine mit Phorbol-Ester. Sie sind auf den jeweiligen ersten Wert normalisiert. Aber man sieht, dass die unterbrochenen Kurven den Versuchspunkten sehr schön folgen. Dies gilt auch für das untere Ende der Beziehung, die Steady-State-Freisetzung und Frequenz verbindet. Und ausgehend von diesem Modell kann man dann die relevanten, interessantesten Parameter extrahieren. Die Daten sind vor allem mit der Theorie kompatibel, dass der normal-geprimte Zustand eine Freisetzungswahrscheinlichkeit von in diesem Fall 0,06 hat, also eine relativ geringe Freisetzungswahrscheinlichkeit, während der Super-Prime-Zustand eine Wahrscheinlichkeit von 0,42 aufweist. Die so genannte Priming-Rate ist schnell, vier pro Sekunde. Das bedeutet, dass in rund 250 mms ein neues Vesikel auf eine Freisetzungsstelle geladen wird, während die Rate für diesen zweiten Super-Priming-Schritt im Kontrollfall sehr gering ist und durch die Einwirkung des Phorbol-Esters verbessert wird. Die von mir beschriebenen Ergebnisse gelten nicht nur für die Heldsche Calyx. Verschiedene Aspekte der Resultate gelten für eine Vielzahl anderer Synapsen. Die Heterogenität zwischen Synapsen der gleichen Art wurde auch für die neuromuskuläre Verbindung in der Maus beschrieben. Die Prototypsynapse, der Hippocampus zwischen CA3- und CA1-Neuronen, weist, wie vor einigen Jahren nachgewiesen, eine sehr ähnliche Art der Heterogenität auf, wie es von Hanse und Gustafsson in einer Reihe von Aufsätzen und darüber hinaus in weiteren kürzlich erschienenen Papieren beschrieben wurde. Dieses Phänomen, das ich als den Kollaps der Heterogenität bei höherer Frequenz bezeichne, wurde auch von Hanse und Gustafsson beschrieben und von Walter und Smith im Kontext der Informationsverarbeitung in neuronalen Netzen erörtert. Und diese langsame Umstellung vom Prime- auf den Super-Prime-Status war tatsächlich auch Bestandteil eines Modells, das Stefan Hallermann für zerebellare Moosfasersynapsen vorgeschlagen hat. Obwohl ich denke, dass die Wellenform des Aktionspotenzials und der Kalziumeinstrom die stärksten modulatorischen Einflüsse auf die Kurzzeitplastizität haben, weil Kalziumströme bekanntermaßen in der Lage sind, das zu zeigen, was als Fazilitation bezeichnet wird, auch Inaktivierung, regulieren sie sich selbst durch G-Protein-Signale und so weiter. Veränderungen im Kalziumeinstrom verursachen in der Folge auch riesige Veränderungen in der Freisetzung, weil Kalziumeinstrom und Freisetzung sehr stark zusammenhängen. Aber ich denke, dass die Experimente und die Heldsche Calyx starke Argumente für diese andere Form der Modulation kurzzeitiger Plastizität liefern, die nicht auf den Kalziumeinstrom zurückzuführen ist. Wir können sagen, dass dies eine Heldsche Calyx ist, weil der Einfluss des Phorbol-Esters auf den Kalziumeinstrom vor mehreren Jahren sehr intensiv von Ralf Schneggenburgers Labor untersucht wurde, wenn auch diese früheren Papiere gezeigt haben, dass es keine bedeutende Veränderungen in der Pool-Größe gibt. Das von mir beschriebene Phänomen scheint also tatsächlich eine relative neuartige Form der Modulationsveränderung in der Energiebarriere für die Freisetzung eines Vesikels zu sein. Die Ähnlichkeit zwischen der Modulation durch Phorbol-Ester und der Heterogenität an den Synapsen im Ruhezustand lässt vermuten, dass die Heterogenität tatsächlich aus verschiedenen Abstufungen der Hintergrundmodulation hervorgeht. Und ich denke, dass dieses Konzept von zwei Zuständen freisetzungsbereiter Vesikel und dem Einfluss von Super-Priming dazu beitragen wird, einige wichtige Phänomene der Signalverarbeitung in unserem Gehirn zu verstehen. Das hier ist selbstverständlich nicht meine Arbeit. Vielmehr wurden alle präsentierten Daten von Holger Taschenberger zusammengetragen, der bis vor kurzem ein Postdoc-Wissenschaftler in meinem Labor war. Mein Beitrag als Emeritus besteht lediglich in einer Datenanalyse und in der Modellbildung. Viele der Ideen und Hintergrunddaten wurden von Takeshi Sakaba, einem langjährigen Kollegen, der heute an der Doshisha Hochschule in Kyoto arbeitet, von Ralf Schneggenburger, der Professor am APFL in Lausanne ist, und von Suk-Ho Lee, einem Kollegen von der Seoul National University, zur Verfügung gestellt. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

Erwin Neher (2014)

Short-term Synaptic Plasticity

Erwin Neher (2014)

Short-term Synaptic Plasticity

Abstract

Our brain is a network of about 1011 neurons, which are connected via synapses. A neuron typically receives input from about 10000 other neurons, which can be either excitatory or inhibitory. The neuron integrates these inputs and generates an action potential, when its membrane potential surpasses a certain threshold. In synaptic transmission neurotransmitter is released upon an increase in intracellular calcium concentration ([Ca++]) in the presynaptic terminal. Neurotransmitter diffuses across the synaptic cleft and opens ion-selective channels in the postsynaptic membrane.
Synaptic strength (the size of the signal in the postsynaptic neuron, elicited by a nerve impulse in the presynaptic one) displays ‘plasticity’ - unlike signal transfer across elements in a digital computer. The term ‘synaptic plasticity’ describes the fact that connection strengths between the neurons of our brain change constantly in a use-dependent manner. These changes occur on many time scales and underlie many of the computational capabilities of our brain. Long-term changes, such as ‘long-term potentiation’ and ‘long-term depression’ are being studied intensely, since they are believed to underlie learning and memory. Short-term changes, on the other hand, are in no way less important, since they subserve basic signal processing tasks, such as adaptation, gain control, filtering, short-term memory, etc. Molecular mechanisms for this, so-called ‘short-term plasticity’, are still a matter of debate. In my laboratory we are studying the dynamics and pharmacology of short-term plasticity in a particular synapse, which has very special features for electrophysiological investigations:
The ‘Calyx of Held‘, a glutamatergic presynaptic terminal in the auditory pathway, is a giant synapse, which is large enough that quantitative biophysical techniques, such as voltage clamp, Ca++ fluorimetry, and Ca++ ion uncaging can be applied. Using these experimental tools, the role of Ca++ and other second messengers in neurotransmitter release can be conveniently studied (see E. Neher and T. Sakaba, 2008, Neuron 59, 861-872 for review). We identified specific roles of Ca++ in the triggering of release and in the maintenance of release during sustained high-frequency stimulation (Lipstein et al., 2013, Neuron 79. 82-96), as well as influences of other signaling pathways, which modulate amount and kinetics of short-term plasticity. A better understanding of these phenomena will not only clarify mechanisms of signal processing in dedicated brain circuits, but also provide explanations regarding the question how our brain is able to rapidly switch between distinct states, such as various forms of sleep and wakefulness.

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